课件5.2:超新星遗迹

作为最具活力的天体物理事件之一,超新星要么是由一颗大质量恒星的核心坍缩造成的,要么是由一颗质量被推向钱德拉塞卡极限并引发热核爆炸的白矮星产生的。在任何一种情况下,原始爆炸产生的光(由释放光子的放射性衰变提供动力)都会随着时间的推移而消退,而主要的光源来自于正向激波与恒星周围环境的相互作用以及与反向激波(加热喷射物)的相互作用。辐射的主要发射模式的变化界定了超新星阶段和超新星遗迹阶段之间的过渡。这有点人为,因为解释超新星残骸及其冲击的物理学虽然发生在超新星阶段,但大部分看不到,就像蜡烛放在泛光灯前会显得暗淡,即使它就在那里。

下文是斯威本大学的一个教育网页,解释了超新星遗迹的激波结构和演化阶段。
超新星遗迹 (SNR,supernova remnant) 是由超新星爆炸产生的扩散、膨胀的星云,根据其外形分为三种主要类型,由于初始前体和爆炸条件的变化、星际介质 (ISM, interstellar material) 的密度变化和瑞利-泰勒不稳定性造成了它们之间的差别。

SNR 包括超新星爆炸本身喷出的物质,以及被爆炸恒星的冲击波扫过的其他星际物质。尽管在光学波长下不一定可见,但由于与周围 ISM 的相互作用,SNR 往往是强大的 X 射线和无线电发射器。它们通常会持续数十万年,然后才分散到 ISM,在此期间,它们会经历 3 个主要阶段:
1、自由膨胀

当超新星第一次爆炸时,会发出冲击波穿过恒星。一旦它穿过恒星物质,它就会继续膨胀到周围的 ISM 中,在星际气体中产生向前方向的冲击波,并在反向方向上产生冲击波,回到超新星喷射物中。受冲击的物质被加热到数百万开氏度,导致热 X 射线的发射。
当超新星冲击波与 ISM 相互作用时,会产生正向和反向激波。 正向激波继续向ISM扩张,反向激波返回到自由膨胀的超新星喷射物中。

冲击波还将 ISM 加速到一个膨胀的外壳中,由于在磁场存在下电子的加速,该外壳会输出大量的同步辐射【其典型特征是无特征的幂律光谱】。这个膨胀的外壳围绕着一个密度相对较低的区域,超新星喷射物可以自由膨胀到该区域内,通常以大约 10,000 公里/秒的速度膨胀。这种自由膨胀阶段持续大约 100 到 200 年,直到被冲击波扫过的物质质量超过喷射物质的质量。

2、绝热(Sedov-Taylor)相
随着被冲击波扫过的 ISM 质量增加,它最终达到开始阻碍自由膨胀的密度。一旦扫过的 ISM 的质量接近喷射物质的质量,就会出现瑞利-泰勒不稳定性。这些不稳定性将受冲击的 ISM 与超新星喷出物混合在一起,并增强了 SNR 壳内的磁场。这一阶段持续 10,000 到 20,000 年。

3、辐射相
冲击波继续冷却,一旦温度降至约 20,000 开尔文以下,电子开始重新组合形成更重的元素。这种重组过程比迄今为止产生的热 X 射线和同步辐射更有效地辐射能量,进一步冷却冲击波,冲击波最终分散到周围 ISM 中。

超新星遗迹在星系演化中发挥着至关重要的作用。除了将超新星爆炸中产生的重元素分散到 ISM 之外,它们还提供了加热 ISM 的大部分能量,并且被认为是银河宇宙射线(galactic cosmic rays)加速的原因。

下文是来自NASA的教育页面,它解释了不同类型或类别的超新星遗迹及其动力学。

超新星遗迹(SNR)是超新星爆炸的遗迹。 SNR 对于了解我们的星系非常重要。它们加热星际介质,分布重元素到整个星系,并加速宇宙射线。
X 射线中的天鹅座环

如何分类超新星遗迹?
A.壳型遗迹:
天鹅座环是壳型遗迹的一个例子。当超新星爆炸产生的冲击波穿过太空时,它会加热并搅动它遇到的任何星际物质,从而在太空中产生一个巨大的热物质外壳。我们在这种类型的 SNR 中看到了一个环状结构,因为当我们看壳时,在边缘的视线中比从中间看时有更多的热气体。天文学家称这种现象为临边增亮(limb brightening)。
B.蟹状遗迹:
这些残余物也被称为脉冲风星云或类蟹遗迹(plerions),与壳型遗迹相比,它们看起来更像一个“斑点”而不是“环”。星云中充满了高能电子,这些电子从中间的脉冲星中飞出。这些电子与磁场相互作用(过程称为同步辐射),并发射 X 射线、可见光和无线电波。最著名的星云是蟹状星云,因此俗称“蟹状遗迹”。
C.复合遗迹:
这些遗迹是壳型遗迹和蟹状遗迹的混合物。它们看起来像贝壳、像螃蟹或两者兼而有之,具体取决于观察它们的电磁波谱的哪个部分。有两种复合遗迹:热复合遗迹和类蟹复合遗迹。
C-1.热复合遗迹:
这些 SNR 在无线电波段中呈现壳型(同步辐射)。然而,在 X 射线中,它们看起来像蟹状,但与真正的类蟹遗迹不同,它们的 X 射线光谱具有谱线(表示热气体)。
C-2.类蟹复合遗迹:
这些 SNR 在无线电波和 X 射线波段都像蟹状;但是,它们也有壳。其中心的 X 射线光谱没有显示谱线,但靠近壳层的 X 射线光谱有谱线。

如何知道超新星遗迹的年龄?
自然,如果超新星爆炸被记录在历史中,就像许多不到几千年的SNR一样,我们就知道相应SNR的年龄。然而,有时历史学家不确定记录的“客星”是否是超新星或者是对应遗迹的超新星。因此,能够估计 SNR 的年龄非常重要。
猜测 SNR 年龄的一种简单方法是使用 X 射线光谱仪测量热气体的温度。从这个观测我们可以估计冲击波的速度,然后从冲击速度推断年龄。这是有效的,因为冲击的速度会随着时间的推移而减慢(因为它吞噬了更多物质并冷却)。这很容易做到,但不是很准确,因为有许多与冲击速度无关的复杂过程可以加热或冷却气体。
对于最年轻的 SNR 来说,一种更好的方法是测量 SNR 随时间的膨胀,并应用以下公式:速率 x 时间 = 距离
例如,如果我们在 20 年前和今天都观察到超新星遗迹,我们将有两张相隔 20 年的图像。比较两个图像的大小并将长度差除以 20 年,得出 SNR 膨胀的速率。例如,如果我们发现超新星遗迹在 20 年间膨胀了 5%,那么膨胀率将是:膨胀率 = 5/ 20 年 = 0.25 / 年
由于 SNR 自爆发以来膨胀了 100%,因此可以通过以下方式计算其年龄:
时间 = 100/ (0.25 /年) = 400 年
对于上面的例子,说超新星爆炸发生在不到 400 年前更安全,因为自爆炸以来 SNR 的膨胀很可能已经放缓(而不太可能加速)。当计算超新星遗迹快速移动特征或结果与历史记录相符时,按照这种方法计算的年龄更可能准确。

为什么超新星遗迹对我们很重要?
超新星遗迹极大地影响了银河系的生态。如果没有 SNR,就没有地球,因此也就没有植物、动物或人,这是因为所有比铁重的元素都是在超新星爆炸中产生的,在地球或太阳系(或任何其他太阳系外行星系统)中发现这些元素的唯一原因是因为这些元素在超新星爆发期间形成。
银河系圆盘充满的气体称为星际介质(ISM)。在 ISM 最密集的星系部分(例如,在星系的旋臂中),ISM 气体可以坍缩成团块。超过临界质量(在木星和太阳质量之间的某处)的团块会在重力坍缩形成恒星时引发核聚变。因此,ISM的化学成分成为下一代恒星的化学成分。
因为超新星遗迹将超新星喷出物(包括新形成的元素)引入 ISM,如果没有超新星遗迹,就永远不会形成我们的太阳系及其岩石行星。

SNR 对银河系还有什么作用?
除了用重元素丰富星系外,超新星遗迹还向 ISM 释放大量能量(每颗超新星 1028 兆吨)。当冲击波向外移动时,它会扫过大量 ISM,以两种主要方式影响 ISM:
冲击波加热它遇到的气体,不仅提高了 ISM 的整体温度,而且使银河系的某些部分比其他部分更热。这些温差有助于使银河系维持一个充满活力和有趣的地方。
冲击波将电子、质子和离子(通过费米加速过程)加速到非常接近光速的速度。这一现象非常重要,因为银河系宇宙射线的起源是天体物理学中的一大突出问题。大多数天文学家认为,银河系中大多数宇宙射线曾经是 ISM 中气体的一部分,直到它们被超新星冲击波冲击。通过在冲击波上来回摇晃,这些粒子获得能量并变成宇宙射线。然而,天文学家仍在争论SNR可以加速宇宙射线的最大能量是多少——目前最好的猜测是大约 1014 eV/核子。

SNR 的生命周期是什么?
SNR 的生命阶段代表了当前研究的一个领域。然而,基本理论产生了 SNR 演变的三阶段分析:
在第一阶段,自由膨胀,膨胀的前沿是由冲击波与周围的 ISM 相互作用形成的。这一阶段的特点是SNR内的温度恒定和壳的膨胀速度恒定,持续数百年。
在第二阶段,称为 Sedov 或绝热阶段,SNR物质开始缓慢减速1/r^{(3/2)}并冷却1/r^3(r 是 SNR 的半径)。在这个阶段,SNR的主壳是瑞利-泰勒不稳定的,SNR的喷射物与刚刚被初始冲击波冲击的气体混合在一起。这种混合也增强了 SNR 壳内的磁场。这一阶段持续 10,000 - 20,000 年。
第三阶段,扫雪或辐射阶段,在壳层冷却到大约 106 K 后开始。在这个阶段,电子开始与较重的原子(如氧)重新结合,因此壳层可以更有效地辐射能量。反过来,这会更快地冷却外壳,使其收缩并变得更加致密。壳冷却得越多,原子可以重组的越多,从而产生雪球效应。由于这种雪球效应,SNR 迅速形成一个薄壳,并将其大部分能量以光的形式辐射出去。速度现在降为1/r^3。向外膨胀停止,SNR 在自身重力下开始崩溃。这持续了几十万年。数百万年后,由于瑞利-泰勒不稳定性将物质从 SNR 的外壳中分离出来,SNR 将被吸收到星际介质中。

下文是哈佛大学天体物理中心的新闻稿,报道了Hiroya Yamaguchi关于第谷超新星遗迹中反向冲击的发现。请仔细注意关于反向冲击的类比,这可能有助于您以更具体的方式理解这种现象。
原文
译文

前面我列出了在超新星遗迹中发现的两种激波结构的示意图。该轮廓是一维表示,x 轴是半径(从爆炸中心开始),y 轴表示物质密度。它是时间上的“快照”,近似于 Cas-A 系统的当前状态。了解这些冲击波中的粒子密度至关重要,因为这些冲击波的辐射发射取决于给定位置的粒子密度。更高的密度意味着更多的辐射。
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